鈦及鈦合金的失效與改善措施

鈦及鈦合金的失效與其預(yù)防鈦及鈦合金是20世紀(jì)50年代興起的一種重要結(jié)構(gòu)金屬，被聯(lián)合國(guó)《世界經(jīng)濟(jì)的未來》報(bào)告譽(yù)為繼鋼、鋁之后21世紀(jì)的第三金屬。鈦及鈦合金具有許多優(yōu)異的性能，比如低密度，高焰點(diǎn)，高比強(qiáng)度，耐腐蝕性能優(yōu)異，高低溫性能好，無磁性，聲波和振動(dòng)的低阻尼特性，生物相容性好，具有超導(dǎo)特性、形狀記憶和吸氫特性等，被稱為“太空金屬”和“海洋金屬”，在航空航天、海洋開發(fā)、化工、冶金、電力、醫(yī)用材料、體育休閑業(yè)、汽車等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用。鈦及其合金在航空航天領(lǐng)域⑴得以廣泛應(yīng)用，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上不斷取代鋁合金、鎂合金及鋼構(gòu)件。這得益于鈦合金的高比強(qiáng)度遠(yuǎn)超過強(qiáng)度高而密度大的鋼以及重量輕但強(qiáng)度較低的鋁合金；并且鈦合金的耐熱性遠(yuǎn)高于鋁合金，目前先進(jìn)耐熱鈦合金的工作溫度可達(dá)550C~600C，同時(shí)低溫鈦合金則在-253C還能保持良好的塑性；另外鈦及其合金優(yōu)良的抗蝕性，特別是在海水和海洋大氣中抗蝕性極高，這對(duì)艦載飛機(jī)、水上飛機(jī)以及沿海地區(qū)服役的飛機(jī)都十分有利。盡管鈦合金具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但也存在一些缺點(diǎn)限制了它的應(yīng)用。鈦及其合金的彈性模量低，容易變形失穩(wěn)，不宜作細(xì)長(zhǎng)桿件和薄壁件；鈦及其合金導(dǎo)熱性差、摩擦系數(shù)高，容易導(dǎo)致粘連，不宜用作有摩擦關(guān)系的零部件；制造成本高等。鈦及其合金不僅在軍事領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，其在民用工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用也日益增多。由于這些鈦制構(gòu)件的受力狀況和工作環(huán)境各不相同，其常見的失效模式主要有：1?疲勞斷裂；2?腐蝕損傷，如鈦合金的氧污染、應(yīng)力腐蝕斷裂、氫脆等；3.摩擦損傷，如外物磨蝕、沖刷等；4.失穩(wěn)，由于剛性不夠而在使用條件下失穩(wěn)失效；5.蠕變失效，包括變形過大、蠕變斷裂、蠕變脆化等。疲勞斷裂失效疲勞斷裂是零部件在交變載荷（應(yīng)力或應(yīng)變）反復(fù)作用下的累積損傷過程，這是鈦合金零部件最主要的失效模式，如壓氣機(jī)顫振引起葉片的低周疲勞、振動(dòng)引起轉(zhuǎn)子葉片的高周疲勞等。（1）低周疲勞斷裂金屬在交變載荷作用下由于塑性應(yīng)變的循環(huán)作用而引起的疲勞破壞叫做低周疲勞，也稱塑性疲勞或應(yīng)變疲勞。低周疲勞壽命很短，一般低于105周次。鋼及鋁合金在退火狀態(tài)下一般表現(xiàn)為循環(huán)硬化，而大多數(shù)退火狀態(tài)的鈦合金在低周疲勞過程中一般表現(xiàn)為循環(huán)軟化。循環(huán)軟化或循環(huán)硬化是指金屬材料在應(yīng)變（應(yīng)力）保持一定的情況下，應(yīng)力（應(yīng)變）在循環(huán)過程中下降（增高）或增高（下降）的現(xiàn)象。對(duì)結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)而言，一般選用循環(huán)穩(wěn)定或循環(huán)硬化的材料，而大多工業(yè)鈦合金屬于循環(huán)軟化材料，在使用過程中，若處于應(yīng)力控制，則會(huì)產(chǎn)生過量的塑性變形而使構(gòu)件破壞或失效。（2）高周疲勞斷裂⑵傳統(tǒng)的高周疲勞破壞是指材料遠(yuǎn)小于其屈服應(yīng)力下發(fā)生的疲勞斷裂，其疲勞壽命一般在105周次~107周次之間。鈦合金高周疲勞尤其對(duì)對(duì)組織類型和表面狀態(tài)十分敏感，因而疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)分散性大。鈦合金高周疲勞斷裂的最重要特征是疲勞缺口敏感性高，缺陷敏感性大。鈦合金高周疲勞斷裂缺陷敏感性可以通過疲勞試樣表面粗糙度（不同表面粗糙度對(duì)鈦合金疲勞極限影響極大）、尺寸、殘余應(yīng)力的影響得到證明。鈦合金發(fā)生高周疲勞破壞主要是由于高頻振動(dòng)所致，尤其構(gòu)件存在微小缺陷的情況下，由于其他零部件的強(qiáng)迫振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件的疲勞開裂。（3）焊接接頭疲勞斷裂焊接在現(xiàn)代的工業(yè)生產(chǎn)中已成為一種重要的金屬加工工藝，鈦合金焊接結(jié)構(gòu)在各領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。金屬材料在焊接過程中，由于焊接熱循環(huán)的作用，焊接接頭及基體金屬的組織和性能均會(huì)發(fā)生明顯的變化。焊接方法、工藝參數(shù)、操作過程會(huì)影響焊接組織、性能及產(chǎn)生缺陷。鈦合金由于熔點(diǎn)較高，導(dǎo)熱性能差，導(dǎo)致焊接過熱區(qū)高溫停留時(shí)間過長(zhǎng)，冷速緩慢，從而使得焊接接頭顆粒明顯增大。焊接接頭各區(qū)域顯微組織的差異，對(duì)于接頭疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展有著較大影響。在工程應(yīng)用中，焊接氣孔在鈦合金焊頭中不可避免，并且研究發(fā)現(xiàn)焊接接頭疲勞裂紋大部分起源于焊縫內(nèi)微小缺陷，主要是氣孔。（4）腐蝕疲勞鈦合金具有優(yōu)異的抗腐蝕性能，但其疲勞缺口敏感性大，單純的腐蝕損傷對(duì)鈦合金的影響較小，但在交變應(yīng)力和環(huán)境介質(zhì)，尤其是和腐蝕性介質(zhì)的協(xié)同作用下，微小的腐蝕損傷會(huì)導(dǎo)致鈦合金構(gòu)件表面的完整性遭到破壞，從而導(dǎo)致構(gòu)件疲勞抗力的下降。影響鈦合金構(gòu)件疲勞損傷的因素很多，因此預(yù)防鈦合金斷裂失效應(yīng)從以下幾個(gè)方面入手：（1）精準(zhǔn)設(shè)計(jì)，對(duì)幾何形狀復(fù)雜的零件要特別注意其應(yīng)力分布的分析；對(duì)高速轉(zhuǎn)動(dòng)部件要避免引起共振疲勞破壞。（2）嚴(yán)控材質(zhì)，控制鈦合金中有害元素的種類，對(duì)含有疏松、氣孔、雜質(zhì)、缺陷、變形的鈦合金要注意篩選。（3）提高構(gòu)件的表面完整性，包括表面粗糙度，表面防護(hù)層的致密性，表層殘余應(yīng)力的類型、大小、分布等。（4）制造過程中噴丸強(qiáng)化，使構(gòu)件表面具有較高的殘余壓應(yīng)力，提高材料表面抗磨損和抗粘連的能力，提高構(gòu)件疲勞強(qiáng)度。腐蝕損傷鈦及其合金的腐蝕抗力較合金鋼好得多，但鈦合金零件發(fā)生氫脆、應(yīng)力腐蝕開裂等環(huán)境失效現(xiàn)象不斷出現(xiàn)，均具有突發(fā)性和不確定性，嚴(yán)重威脅著鈦合金的擴(kuò)大應(yīng)用。（1）腐蝕損傷鈦及其合金具有良好的腐蝕抗力，在堿性介質(zhì)中也表現(xiàn)出優(yōu)異的腐蝕抗力，在氧化性酸（硝酸）中有良好的耐蝕性，而在還原性酸（鹽酸和稀硫酸）中腐蝕比較嚴(yán)重。鈦屬于非?；顫姷脑?，極易在空氣中氧化，形成氧化物覆蓋在鈦及其合金的表面，阻隔了進(jìn)一步氧化。鈦及其合金的化學(xué)腐蝕抗力實(shí)際上取決于其氧化物薄膜的化學(xué)腐蝕抗力，而這種抗力主要取決于表面氧化膜的完整性、致密性、可塑性、強(qiáng)度、與金屬基體的結(jié)合力等。（2）應(yīng)力腐蝕開裂鈦合金構(gòu)件在靜應(yīng)力和特定的腐蝕環(huán)境共同作用下所導(dǎo)致的脆性斷裂成為鈦合金的應(yīng)力腐蝕開裂。鈦合金對(duì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的敏感性介質(zhì)有以下幾種：H2、CCI4、NaCI水溶液、海水、HCI、甲醇、乙醇溶液、汞等，在這些敏感性介質(zhì)中受到拉應(yīng)力時(shí)，其裂紋擴(kuò)展速率大大加快。例如鈦合金光滑試樣放在3.5%NaCI溶液或海水中是不發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的，然而一旦試樣上有了裂紋時(shí)，則很快地發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。（3）氫脆⑶由于氫滲入金屬內(nèi)部導(dǎo)致?lián)p傷，從而使金屬零件在低于材料屈服極限的靜應(yīng)力作用下導(dǎo)致的失效稱為氫脆。鈦極易吸氫引起氫脆，下列過程均可成為鈦合金發(fā)生氫脆斷裂的氫來源：①鈦合金冶煉過程中帶入的氫及氫氣氛；②鈦合金在熱處理過程中接觸了含氫或者含水的氣氛或淬火介質(zhì)等；③焊接中保護(hù)不當(dāng)致使焊縫中滲入了氫等。嚴(yán)格來講，氫脆并不是一種獨(dú)立的斷裂機(jī)制，氫的加入只是有助于鈦合金某種斷裂機(jī)制，如解理斷裂或沿晶斷裂的作用，其斷裂失效的方式可能是沿晶的，也可能是穿晶的，或者是二者混合的。（4）液態(tài)金屬致脆液態(tài)金屬致脆指的是延性金屬或合金與液態(tài)金屬接觸后導(dǎo)致塑性降低而發(fā)生脆斷。它包括直接與液態(tài)金屬接觸的脆化及低焰點(diǎn)金屬在低于其焰點(diǎn)時(shí)接觸的脆斷。目前所發(fā)現(xiàn)的一些鈦及其合金致脆的脆化劑有鎘、銅、銀、汞、鉛、鋁、鋅。液態(tài)金屬致脆機(jī)理的解釋目前較為流行的是Westwood提出的⑷，認(rèn)為液態(tài)金屬致脆大多是由于液態(tài)金屬化學(xué)吸附作用造成的。預(yù)防鈦合金發(fā)生液態(tài)金屬致脆的方法是盡可能阻隔液態(tài)金屬致脆的脆化劑與鈦接觸，如在必須鍍鎘的鈦合金零件表面先鍍一薄層其他金屬，以形成致密的隔離層。由于鈦及其合金與環(huán)境交互作用的復(fù)雜性，目前對(duì)鈦合金環(huán)境失效的預(yù)防還基本上通過設(shè)計(jì)選材，防止氫、液態(tài)金屬、應(yīng)力腐蝕敏感介質(zhì)等與鈦合金接觸，提高構(gòu)件表面完整性，材料表面改性來解決。比如在海水淡化設(shè)備中，鈦制設(shè)備應(yīng)當(dāng)避免與鐵制容器接觸，這是由于Fe（OH）2沉積在傳熱管內(nèi)壁，發(fā)生如下反應(yīng)：3Fe（OH）2—F&O4+2H2O+H2,反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣被鈦吸收。摩損失效鈦及其合金構(gòu)件受到流體以及流體中沙、貝類、草等反復(fù)接觸沖擊，容易發(fā)生沖刷磨損而失效⑸。由于沙塵的硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鈦合金構(gòu)件的硬度，所以這種沖刷磨損率較高，對(duì)耐磨性較差的鈦合金極易造成失效破壞。提高鈦合金構(gòu)件抗磨損能力主要集中在表面防護(hù)上，如表面強(qiáng)化技術(shù)（噴丸、激光沖擊強(qiáng)化、孔擠壓等），涂層技術(shù)（火焰噴涂、等離子噴涂、真空物理沉積涂層等），離子注入技術(shù)（改變金屬材料表層物理或化學(xué)性能），預(yù)氧化（形成致密氧化膜）等。蠕變失效蠕變是指在長(zhǎng)時(shí)間的恒溫、恒應(yīng)力（低于屈服強(qiáng)度）作用下而發(fā)生緩慢的塑性變形，由蠕變而最終導(dǎo)致的斷裂，稱為蠕變斷裂。在實(shí)際服役條件下，尚未有鈦合金因蠕變導(dǎo)致的斷裂失效發(fā)生。但由于鈦合金彈性模量較低，且在很低的使用溫度下就會(huì)發(fā)生蠕變，因此作為重要結(jié)構(gòu)件的鈦合金蠕變問題仍應(yīng)引起高度重視。參考文獻(xiàn)陶春虎，劉慶瑔，劉昌奎，曹春曉，張衛(wèi)方航空用鈦合金的失效及其預(yù)防[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社,